采用非球面透镜的激光解析离子源激光光路的制作方法

本发明涉及基质辅助激光解析离子源型MALDI-TOF技术领域，尤其是涉及一种采用非球面透镜的激光解析离子源激光光路。

背景技术：

基质辅助激光解析离子源型MALDI-TOF是近年来发展起来的一种新型软电离生物质谱，简单、高效，因此获得了广泛应用。其工作原理如下：被分析质子固化在靶台上，激光系统与CCD成像系统固定在透镜腔体系统上，其二者中轴线相对于靶台焦点位置中心轴线成一定角度的对称分布。通过激光系统发射一定波长的光（常用337nm或355nm），通过光学透镜组传导聚焦在靶样上，靶样上的样品在短时间内获得能量，不同样品被分解成各种相应片段的离子；由于各离子的质荷比不同，其在飞行管中的运动速度不同，到达飞行管终端检测设备的时间也不同，因此可根据检测到的离子信号形成相应的图谱。具体地，如中国专利“基质辅助激光解析离子源激光及成像集成系统”（申请号为201510913071.5）所述，激光发射部分的激光光纤头调节器倾斜设置在离子源腔体的左上方，进行光传导的激光光路光学透镜组设置在激光光纤头调节器下方的透镜组支架上，上述激光光路光学透镜组由沿激光光纤头调节器的主光轴同轴设置的凸透镜、进光凸透镜和出光凸透镜组成。

根据像差理论，正透镜只能产生正球差，则平凸透镜组成的光学系统必然存在较大的球差。因而，平行激光束经过上述平凸透镜组成的球面光学系统，不能在成像面得到点像，而是形成一个弥散斑。光斑弥散斑过大会使得焦点激光功率密度降低，从而会造成激光激发误操作或者激发后得不到理想波形的情况，尤其当使用1536个靶位的基质靶板时，单个靶点达到直径小于0.8mm的程度，采用现有基质辅助激光解析离子源型MALDI-TOF针对目标靶位进行激光激发操作时，很容易出现激发误操作或者激发后得不到理想波形的情况。

研究表明，质子解析为离子所需能量是固定的，当激光通过透镜在焦点处的平均能量密度较小时，质子不能分解成相应的离子或者分解量较小，会造成不能生成波峰图谱或生成的图谱质量较差，影响仪器的检测分辨率。此时，需要相应加大激光器的发射功率来增加焦点处的能量，使其达到质子分解成离子过程所需要的能量级别。但激光器发射能量的大小与其寿命成反比，即激光器发射的功率能量越大，其使用寿命越短。由于在焦点光总能量一定的情况下，平均能量密度与焦点面积成反比，因此，可以通过优化光学透镜组合的方式，缩小焦点面积，提高焦点能量密度，从而提高操作准确性、获得高质量图谱，并在一定程度上延长激光发射器的使用寿命。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供一种采用非球面透镜的激光解析离子源激光光路。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的采用非球面透镜的激光解析离子源激光光路，包括倾斜设置在离子源腔体左上方的激光光纤头调节器，所述激光光纤头调节器下方设置有透镜组支架，所述透镜组支架上依次设置有与激光光纤头调节器主光轴同轴的准直用平凸透镜、聚焦用非球面透镜和聚焦用凸透镜，所述准直用平凸透镜、聚焦用非球面透镜和聚焦用凸透镜的球差之和为零。

所述准直用平凸透镜的直径为15～35mm，焦距为40～100mm，所述聚焦用非球面透镜的直径为15～35mm，焦距为20～100mm，圆锥系数为-0.7～-0.95，所述聚焦用凸透镜的直径为10～35mm，焦距为50～115mm，所述入射光纤头部与准直用平凸透镜的间距H1在25～35mm之间，聚焦用凸透镜与聚焦焦点的间距H2在25～35mm之间，准直用平凸透镜与聚焦用非球面透镜的间距H3在75～90mm之间，聚焦用非球面透镜与聚焦用凸透镜的间距H4在8～18mm 之间。

位于所述聚焦用非球面透镜和聚焦用凸透镜之间的所述离子源腔体壁面上开设有排气孔。

本发明提供的采用非球面透镜的激光解析离子源激光光路，采用由一个准直用平凸透镜、一个聚焦用非球面透镜和一个聚焦用凸透镜组成的透镜组，结构简单、造价低廉，优化了激光光路焦点和焦点能量密度等参数，实现了基质辅助激光解析离子源型MALDI-TOF针对基因鉴定物进行基质解析的要求，避免了激光光路焦点过大引起的激发误操作或者激发后得不到理想波形等情况的发生，同时在一定程度上提高了激光发射器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明光路结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的采用非球面透镜的激光解析离子源激光光路，包括倾斜设置在离子源腔体1左上方的激光光纤头调节器2，激光光纤头调节器2下方设置有透镜组支架，透镜组支架上依次设置有与激光光纤头调节器2主光轴同轴的准直用平凸透镜3、聚焦用非球面透镜4和聚焦用凸透镜5，所述准直用平凸透镜3、聚焦用非球面透镜4和聚焦用凸透镜5的球差之和为零。其中，准直用平凸透镜3上侧设置带有螺纹的压紧块，以旋入方式将准直用平凸透镜3及其下侧的O型密封圈压紧密封。

此外，如图1所示，在位于聚焦用非球面透镜4和聚焦用凸透镜5之间的离子源腔体壁面上开设有排气孔8。由于上述镜片均在常压下装配，使用时，离子源腔体1为真空系统，设置排气孔8后，可以将上述两镜片之间的空气抽出，有效避免由于内外压差造成的镜片崩裂。

根据像差理论，实际平行光束仅通过球面透镜不能在成像面上得到点像，只能形成一个弥散斑。本发明采用由多项高次方程决定、面形上各点半径均不相同的非球面透镜，使其与球面透镜进行合理组合后，可以完全校正球面透镜的像差，能把平行光入射的光成像在一点上，大大提高激光聚焦光路光学成像质量。

上述非球面透镜的镜面弯曲程度z符合以下规律：

其中，z表示镜面弯曲程度；h为镜面的孔径半径；c为曲率半径倒数；A、B、C、D…为h的各阶高次系数；k为圆锥系数。

当非球面高次系数A、B、C、D…都为0时，方程变为二次曲面方程：

在上述激光光路中的像差主要来自于球差。根据像差理论，各透镜球差之和S应符合如下公式：

其中，

上述公式中，表示球面透镜的球差系数之和，表示非球面透镜的球差系数，h为光线入射高度，P_i为入射光线偏折角度函数，k为非球面透镜的圆锥系数，R为非球面顶点曲率半径，为透镜材料折射率，n为环境空间折射率。

为使激光光路的光学透镜球差矫正为零，必须满足：

因此，

将各球面透镜的球差系数和非球面透镜的相关参数带入上述公式，就可以得出按照像差理论求解的非球面透镜的圆锥系数k的初始值。将非球面透镜的圆锥系数k的初始值代入光学仿真软件ZEMAX中，通过像差平衡之后，将非球面透镜的圆锥系数k和各阶高次系数A、B、C、D…作为设计变量不断优化，使初级像差和高级像差互相平衡，最终可以得到整个激光光路的光学透镜球差矫正为零时的非球面透镜系数，包括圆锥系数k和各高次系数A、B、C、D等。各高次系数如果不需要使用时，取值为0。

具体地，如图2所示，当准直用平凸透镜3的直径为15～35mm，焦距为40～100mm，聚焦用非球面透镜4的直径为15～35mm，焦距为20～100mm，圆锥系数k取值为-0.7～-0.95，聚焦用凸透镜5的直径为10～35mm，焦距为50～115mm，入射光纤6头部与准直用平凸透镜3的间距H1在25～35mm之间，聚焦用凸透镜5与聚焦焦点7的间距H2在25～35mm之间，准直用平凸透镜3与聚焦用非球面透镜4的间距H3在75～90mm之间，聚焦用非球面透镜4与聚焦用凸透镜5的间距H4在8～18mm之间时，整个激光光路的光学透镜球差矫正为零。

此时，当入射光纤6的直径为0.2mm，入射发散角为24.5度时，聚焦焦点7直径达到60～120um；当入射光为1W时，聚焦焦点7处平均功率密度能够达到160～252W/mm2；当激光器发射一定波长（337nm或355nm）的紫外光光波时，光路输出焦点直径为50～120um，可以针对直径小于0.8mm的样靶准确操作，有效避免打错样靶的现象。由于聚焦光斑面积大幅减小，因此在不提高发射激光总能量的条件下，焦点能量密度获得增加，操作准确性得到提高，能够获得高质量图谱，并在一定程度上延长激光器的使用寿命。